Met een beetje natuurkundig vernuft, wetenschappers hebben een manier ontworpen om elektriciteit op kleine schaal te herverdelen, mogelijk nieuwe wegen openen voor onderzoek naar energiezuiniger computergebruik.

In een nieuwe studie, onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), samen met medewerkers in Frankrijk en Rusland, een permanente statische "negatieve condensator hebben gecreëerd, " een apparaat waarvan men dacht dat het tot ongeveer tien jaar geleden in strijd was met fysieke wetten.

Terwijl eerder voorgestelde ontwerpen voor negatieve condensatoren werkten aan een tijdelijke, voorbijgaande basis, het nieuwe door Argonne ontwikkelde negatieve condensatorconcept werkt als een stationaire, omkeerbaar apparaat.

De onderzoekers ontdekten dat door een negatieve condensator in serie te koppelen met een positieve condensator, ze zouden de spanning op de positieve condensator plaatselijk kunnen verhogen tot een punt hoger dan de totale systeemspanning. Op deze manier, ze zouden elektriciteit kunnen distribueren naar gebieden van een circuit die een hogere spanning nodig hebben, terwijl ze het hele circuit op een lagere spanning laten werken.

"Het doel is om elektriciteit te krijgen waar het nodig is met zo min mogelijk gebruik in een gecontroleerde, statisch regime, " zei Argonne materiaalwetenschapper Valerii Vinokur, de corresponderende auteur van de studie.

In traditionele condensatoren, de elektrische spanning van de condensator is evenredig met hun opgeslagen elektrische lading - het verhogen van de hoeveelheid opgeslagen lading verhoogt de spanning. In negatieve condensatoren, het tegenovergestelde gebeurt - het verhogen van de hoeveelheid lading verlaagt de spanning. Omdat de negatieve condensator deel uitmaakt van het grotere circuit, dit is niet in strijd met het behoud van energie.

"Eén manier waarop je erover kunt denken, is alsof je een koelkast hebt, " zei Igor Lukyanchuk, wetenschapper van de Universiteit van Picardië (Frankrijk), de eerste auteur van het artikel. "In de koelkast, natuurlijk, het is veel kouder dan de buitenomgeving, maar dat komt omdat we de rest van de omgeving opwarmen door energie te verbruiken om de koelkast te koelen."

Een belangrijk onderdeel van de negatieve condensator die door Vinokur en zijn collega's naar voren is gebracht, is een vulling gemaakt van een ferro-elektrisch materiaal, die vergelijkbaar is met een magneet, behalve dat deze een interne elektrische polarisatie heeft, in plaats van een magnetische oriëntatie.

"In een ferro-elektrisch nanodeeltje, aan de ene kant heb je een positieve lading, en aan de andere kant heb je negatieve ladingen, "Zei Vinokur. "Hierdoor ontstaan ​​elektrische velden die het materiaal proberen te depolariseren."

Door een nanodeeltje te splitsen in twee gelijke ferro-elektrische domeinen met tegengestelde polarisatie, gescheiden door een grens die een domeinmuur wordt genoemd, Vinokur en zijn collega's waren in staat om het effect van het totale depolariserende elektrische veld te minimaliseren. Vervolgens, door lading toe te voegen aan een van de ferro-elektrische domeinen, de onderzoekers verschoven de positie van de domeinmuur ertussen.

Vanwege de cilindrische aard van het nanodeeltje, de domeinmuur begon te krimpen, waardoor het zich buiten het nieuwe elektrische evenwichtspunt verplaatst. "Eigenlijk, je kunt de domeinmuur zien als een volledig uitgeschoven veer, " zei Lukyanchuk. "Wanneer de domeinmuur naar één kant verplaatst vanwege de onbalans in de lading, de lente ontspant, en de vrijgekomen elastische energie stuwt het verder dan verwacht. Dit effect creëert de statische negatieve capaciteit."

Een artikel gebaseerd op het onderzoek, "Het benutten van ferro-elektrische domeinen voor negatieve capaciteit, " verscheen in de online editie van Communications Physics van 26 februari. Auteurs van de studie zijn ook Anaïs Sené van de Universiteit van Picardie, en Yuri Tikhonov en Anna Razumnaya van de Southern Federal University (Rusland).